河南某输煤项目应对采空沉陷区的技术研究

刘海滨（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430064）

河南某输煤项目应对采空沉陷区的技术研究

刘海滨
（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430064）

本文介绍了河南某电厂建设的15km长距离输煤圆管带式输送机，管带机基本在同一矿区内，贯穿矿区三矿、六矿和八矿。煤矿开采引起的地表沉陷无疑将对管带机的铺设带来重大的影响，必须对管带机沿线地表进行沉陷预测分析，针对采空塌陷区进行专门的结构设计，以确保管带机安全顺利的施工及运行。本文对类似项目在预测手段，及应对变形可采取的措施上，提供了思路。

圆管带式输送机 采空区 技术研究

河南某电厂二期工程的配套项目，煤源来自十五公里外的一处煤储运物流园区，煤炭经过管带机输送运到该电厂二期工程，管带机总的运距为15km，中间1个转运环节。输送机所经地区地形起伏大，村庄多，线路有较多转折管带机沿线经过该地区三矿、六矿、八矿。

煤矿开采引起的地表沉陷无疑会对管带机的铺设带来重大的影响，必须对管带机沿线地表进行沉陷预测分析，针对采空塌陷区进行专门的结构设计，并采取有效措施，确保管带机安全顺利的施工及运行。

1　沿线地表移动变形的预测

1.1地表开始产生移动变形时间预测

井下采煤引起地表发生移动变形，到最终形成稳定的沉陷区，这一过程是逐渐而缓慢的，地表的移动是在工作面推进一定距离后才发生的。随着采煤工作面的推进，在上覆岩层中依次形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带并传递到地表，使地表产生移动变形。这一过程所需的时间与采深和工作面推进速度有关，其关系可用如下经验公式表示：

式中：T—地表开始产生移动变形时间，月；

H0——工作面平均开采深度，m；

V——工作面推进速度，本次预测根据矿井以往开采进度统计，取400m/a。

根据开采深度和采煤工作面推进速度计算的地表开始移动变形时间见表001。

1.2地表移动延续时间预测

表001　地表开始移动变形时间预测

地表移动总时间的长短主要取决于开采煤层上覆岩层性质、开采深度和工作面推进速度，地表移动延续时间，计算公式为：

T =t1+t2+t3，式中：

t1——移动初始期的时间；

t2——移动活跃期的时间；

t3——移动衰退期的时间。

在无实测资料的情况下，地表移动的延续时间（T）可根据下式计算：

T=2.5H0（d）

式中：H0——工作面平均采深（m）。

本项目沿线井田二1煤埋藏深度为510m～980m，根据上述公式，通过综合计算求得地表移动的延续时间为1275d～2450d。

1.3地表最大下沉速度预测

VO——地表最大下沉速度（mm/d）；

Wcm——最大下沉值（mm）；

C——工作面推进速度（m/d）；

H——采深（m）；

K—下沉速度系数（取1.8）。

通过综合计算，煤层开采后，地表最大下沉速度11.05 mm/d ～22.1mm/d。

1.4线路受地表沉陷影响分析

根据前面对项目沿线井田分阶段地表沉陷预测结果，通过叠图法进行统计分析，拟建皮带输送工程受地表沉陷影响情况见表002。

从表中可以看出，受各井田开采5年、10年及全部采完后三个阶段，拟选线路受影响长度、最大下沉值、最大倾斜变形值、最大水平变形值。

2　管带机走径区域为采空区处理方案

表002　拟建工程受沉陷影响一览表

2.1管带走径区域概况

管带走径区域自北向南全长约15km。根据矿方提供的《三、六、八矿线路采动影响图》和《三、六、八矿地表沉陷预测图》，依据井下采掘情况，煤柱留设原则对采空区影响情况进行粗略划分，将线路受影响情况进行预测。分为近期（5年）受影响段、中期（10年）受影响段、后期（开采末期）受影响段和相对安全稳定段，其中安全稳定段约5.9公里，近期可能受影响段约5.70公里，中期约7.14公里，末期段约8.65公里。

2.2采空区破坏规律及影响因素

煤层开采后形成的采场空间，必然会引

起围岩（包括本煤层）的原始应力变化，当围岩所承受的应力超过它的极限强度时，就会发生位移、开裂、断裂，直至破碎冒落。影响煤矿采空区地表移动变形的因素为煤层埋藏的几何条件、地质构造、覆岩物理力学性质、水文地质条件、采空区的几何条件和采掘技术等。

2.3采空区管带设计结构受力分析

由于管带支架垂直管带运行方向的横向支撑受力点间距较小，两排支撑受力点不均匀沉降差值应在一个较小的范围内，也就是说横向不均匀沉降对长距离管带系统的危害风险较小，风险主要来自于平行管带机运行方向的纵向不均匀沉降。

2.3.1管带路径选择

管带路径应尽可能避开采矿塌陷区或者选择在开采时间较早的现有采空区范围内，避开地表倾角大于25-30度或地表为古滑坡区，当无法避开塌陷区时，原则上运煤管带应选择塌陷区内地质条件好、开采深厚比大的适宜地带作为穿越路径。

2.3.2计算模型确定

由于管带栈桥修建在采空区上，将来不可避免的会有不同程度的沉降。因此上部结构应采用静定结构形式，不适合采用超静定结构。静定结构的优点的在于支座的不同沉降差，不会引起结构的内力，从而静定结构的抗变形能力要强。具体对于本工程来讲，管带栈桥应采用相对简洁的桁架（跨度较大时）或铰支的型钢（跨度较小时），拼装接点处采用螺栓连接；在管带栈桥变形缝和节点处预留一定可变形量，提高栈桥结构的水平变形能力。

2.3.3桁架与支架设计

应尽量避免布置大跨度管带桁架，采空区地段的支架高度相对较低，支架简单，采用钢支架形式，桁架的跨度不必很大，按合适的高跨比进行设计以获得好的经济指标，跨度以17m为宜。

管带桁架及支架宜采用钢结构结构类型，由于钢结构有比较好的延性，抗变形能力强，即使结构发生较大的变形也不会产生断裂、倒塌等严重破坏；钢结构有比较好的塑性，发生破坏前有较明显的变形预兆，便于及时采取安全保护措施；钢结构可修复性强，当地面下陷，管带栈桥结构变形影响正常运行时，可以对管带栈桥进行简单的修复或加固。采用可调节的管带钢支架，适应采空区地表适量垂直变形。

2.3.4基础设计

管带支架采用钢筋混凝土条形基础或筏形基础，加强基础的整体性和刚度，尽量使支架将来可能发生的沉降比较均匀，后期维护和检修比较容易。

塌陷区局部管带机支架基础可用槽钢整体焊接，并在槽钢下铺设石子调节变形；采空区管带机尽可能在地面铺设，可采用枕木作为管带机基础，降低运行中修复工程量（如图1所示）。

2.3.5桁架与支撑连接处的处理

在桁架的底部与支撑相连接的位置，设计了一处铰支座及轨道式移动小轮，当支撑位置发生变化时，固定端的铰支座会产生旋转运动，消除垂直平面内的塌陷误差，放松端的小轮会沿着轨道做直线运动，消除运行方向的塌陷误差。铰支座与轨道式移动小轮都留有一定的安装间隙，可以消除水平方向的塌陷误差（如图2所示）。

2.3.6地面变形观测

采空区管带基础稳定性能否满足要求，主要通过地表变形观测来评价，观测点的设立时间，应从采矿区工程施工前至施工结束后6个月为宜（管带运行期间应进行长期观测），沉降观测一般每个月定期进行一次，每次观测应根据闭合差进行简易平差，平差后进行测点的高差和高程计算，进行各观测点及相邻两次观测的沉降量、累计沉降量、沉降速率、累计沉降速率、水平位移量、累计水平位移量计算。编制垂直下沉曲线图，垂直下沉等值线图、水平位移曲线图及相应统计分析表格等数据。根据这些观测资料分析地表变形量，计算变形特征值，变形的定量数据可作为采取处理措施及修复工程的依据，以满足管带机安全运行要求。

3　技术研究的结论

管带机贯穿三矿、六矿和八矿，通过对沿线井田地表沉陷进行预测，线路途经已开采区地表已基本稳定，项目施工和运营受其影响不大；途经待开采区的线路段将受井田采煤地表沉陷影响，积极借鉴我国在煤矿防地表下沉及采空区地表建构筑物抗变形设计、施工及维护方面积累丰富的业绩与成功经验，通过采取有针对性的基础和结构形式，优化设备选型，加强沉降及变形观测，及时维护，可有效的预防和治理管带机受井田地表沉陷的影响，可以确保拟建管带机项目安全建设与稳定运行。

刘海滨（1979—），山东平原人，工程师，从事煤矿、选煤厂、储装运工程机械方面的设计研究。